第一章植物纤维原料的化学成分及生物结构

完整学名：属名+种加词+命名人名缩写
如: 马尾松：Pinus massonniana Lamb. 云 杉：Cunninghamia lanceolata Hook.
三名法：属名+种加词+亚种或变种加词+命名人名缩写
如：大叶相思：Acacia auriculiformis A.cunn.ex.Benth
1．纤维素（Cellulose）
纤维素是不溶于水的均一聚糖。它是由D-葡萄糖基构 成的线状高分子化合物。纤维素大分子中的D-葡萄糖基之 间按照纤维素二糖联接的方式联接（1,4-β-苷键）。纤维 素具有特性的X-射线图。
高分子形状
➢ 线型（链状）高分子； ➢ 枝链型高分子； ➢ 网状结构高分子； ➢ 体型高分子。
序论
一、植物纤维化学主要研究的内容 重点研究制浆造纸植物纤维原料的生物结构、化
学组成、化学结构及它们的物理和化学性质。
生物结构方面：主要研究植物细胞形态和微细结构。
化学特性方面：主要研究植物纤维原料的三种主要组 成，既：纤维素、半纤维素和木素。
另外也对植物纤维原料的少量组成进行了解。如：有 机溶剂抽出物、果胶质、灰分等等。
（Noncellulose carbohydrate）。
1．G.B.Aspinall的概念
1962年Aspinall提出：半纤维素是从植物来源的聚 糖类：它含有D-木糖基、D-甘露糖基与D-葡萄糖基或D半乳糖基的主链，其它糖基可成枝链联接在主链上。
2．T.E.Timell的概念 1964 年 Timell 提 出 ： 半 纤 维 素 是 低 分 子 量 的 聚 糖 类 （其平均聚合度近200），它和纤维素一起正常地产生在组 织中，它们可以从原来的或从脱去木素的物料中被水或碱水 溶液（这是常用）抽提出来。
D-Galactopyranose Galatose
COOH H H O H, CH3O OH H OH
H OH
Galacturonic acid 4-O-Methy-Glucuronic acid
H
HO H
CHH3
O H
H, OH
OH OH
L-Rhamnopyranose Rhamnose
H
H HO
• 木素、半纤维素已应用于建筑、医药、食品、橡胶 等工业。
第一章 植物纤维原料的化学成分及生物结构
第一节 植物界的基本类群
一、植物的分类原则 分类学的主要等级为：界(Kingdom)、门(Division)、 纲 (Class) 、 目 (Order) 、 科 (Family) 、 属 (Gerus) 、 种 (Species)，“种”是最基本的单位。
2、阔叶材
被子植物门的木本植物是阔叶的、故称为阔叶材， 商业上称为硬木。如：杨木、桦木、枫木、桉木、榉木、 槭木、相思木等。
（二）非木材纤维原料 1．禾本科纤维原料 2．韧皮纤维原料 3．籽毛纤维原料 4．叶部纤维原料
1．禾本科纤维原料
稻草、麦草、芦苇、荻、甘蔗渣、高梁杆、玉米杆、 麻杆、毛竹、慈竹、白夹竹、楠竹等。
Their building units are hexoses (D-glucose, Dmannose, and D-galactose), pentoses (D-xylose, Larabinose, and D-arabinose), or deoxyhexoses (L-rhamnose or 6-deoxy-L-mannose and rare L-fucose or 6-deoxy-Lgalactose). Small amounts of certain uronic acids (4-Omethyl-D-glucuronic acid, Dgalacturonic acid, and Dglucuronic acid) are also present.
纤维素的化学结构式
（Haworth）
H OH
HOOH H HH o O
CH2OH
CH2OH
o H
O
OHH
H OH
H OH
CH2OH
OH
H oOH
H o
O
OHH H
CH2OH n-2 H OH
2
Stereochemical Structure
• 天然状态下棉花纤维素平均聚合度（DP）约为15000、 木材纤维素约为10000、草类约为8000。
二、本课程与其它学科的关系
• 生物结构方面： 植物纤维化学与植物解剖学、植物分类学等有密
切相关。 • 化学性质方面：
植物纤维原料中的纤维素、半纤维素和木素都属 于高分子化合物。
三、本课程与造纸工业的关系
• 植物纤维原料 化学浆 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ白化学浆 打浆 抄纸 纸张；
• 漂白化学浆 精制浆 人造丝、人造毛、电影 胶片、喷漆、食品添加剂等；
2．韧皮纤维原料
红麻、亚麻、黄麻、苎麻、大麻、棉杆皮、桑皮、 构皮、檀皮、雁皮等。
3．籽毛纤维原料 棉花、棉短绒、古棉。
4．叶部纤维原料 香蕉叶、龙舌兰麻、甘蔗叶、龙须草等。
（三）半木材纤维原料 这类原料主要指棉秆。棉秆的形态、结构介于木 材和禾本科原料之间；分类学上属于棉葵科、棉属。 其化学成分、形态结构及物理性质与阔叶材相近。
β－纤维素 溶解部分 （沉淀部分） （醋酸中和）
γ－纤维素 （不沉淀部分）
• α-纤维素包括漂白化学浆中的纤维素与抗碱性的 半纤维素；
• β-纤维素含高度降解的纤维素与半纤维素； • γ-纤维素全部为半纤维素。
二．少量（次要）成分 （一）抽出物（ Extractives） 水抽出物(冷、热水） 稀碱抽出物（1%NaOH) 有机溶剂抽出物
（四）合成纤维、合成浆
人造丝、聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚氯乙烯等。合 成纤维可用于生产无纺布、过滤纸及一些特种纸等。
（五）回收纤维（ Recovered/Recycled Fiber-RCP ）
旧报纸（ONP）、旧杂志纸（OMG）、旧瓦楞箱 纸板（OCC）等。
美国废纸商协会1997年废纸出口贸易指南PS-97中 将废纸分为51个等级和33个特殊等级。
Global development of paper production, chemical pulp, and recovered paper consumption.
第二节 植物纤维原料的化学成分
一．主要化学成分 纤维素、半纤维素和木素。纤维素和半纤维素皆 由碳水化合物组成，木素则为芳香族化合物。
From:PAPERMAKING SCIENCE AND TECHNOLOGY (Book 3)
阔叶材： 聚-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖 聚葡萄糖甘露糖
针叶材： 聚半乳糖葡萄糖甘露糖 聚阿拉伯糖-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖
禾本科： 聚阿拉伯糖-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖
半纤维素的概念
半纤维素是指植物纤维原料中非纤维素碳水化合物 这样一群物质的总称。或半纤维素是除纤维素和果胶质 以外的植物细胞壁聚糖。
（三）木素（木质素，Lignin）
木素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳-碳键联结 构成具有三度空间结构的芳香族高分子化合物。
• 木素一词是由F. Schulze于1865年提出，他是根据 拉丁文（Lignum）木材命名为（Lignin）木素。
• 在1897年Peter Klason研究了木素磺酸盐组成、提 出了木素与松柏醇结构非常相近。
• 但（木材）经过蒸煮与漂白制成的化学浆，其纤维素的 聚合度只有1000~1300左右。
2．半纤维素 (Hemicellulose)
• 半纤维素一词是由 E.Sehulze于1891年提出的； • 1939年由H.Staudinger改名为木聚糖（Wood
polyoses）； • 半纤维素又称之为非纤维素的碳水化合物
三、造纸植物纤维原料的分类及其代表性植物
（一）木材纤维原料 1、针叶材(Needle leaved wood or Softwood or
Coniferous) 2 、 阔 叶 材 (Leaf wood or Hardwood or
Dicotyledon)
1．针叶材
裸子植物门松柏纲植物因叶多为针状，故称为针叶 木。商业上称为软木。如：云杉、冷杉、马尾松、落叶 松、红松、白松。
O CHH3HO
H, OH
OH H
L-Fucopyranose Fucose
木糖(Xylose)、阿拉伯糖(Arabinose)、甘露糖(Mannose)、葡萄 糖 (Glucose) 、 半 乳 糖 (Galactose) 、 4-0- 甲 基 葡 萄 糖 醛 酸 (4-0Methyl-Glucuronic Acid)、半乳糖醛酸(Galacturonic Acid)、葡 萄糖醛酸(Glucuronic Acid)。 另外还有少量的鼠李糖(Rhammose)和岩藻糖(Fucose)。
松柏纲
松、杉、柏及南洋杉科
双子叶植物纲 被子植物门
单子叶植物纲
双子叶植物纲 单子叶植物纲
阔叶材 禾本科
二、植物的命名
国际通用的学 名，基本采用了 1753 年瑞典植物学 家林奈 (Carl von Linne) 所倡用的 “双名法”作为统 一的植物命名法。
第一个词是属名，相当于“姓”，词性：名词； 第二个词是种加词，相当于“名”，词性：形容词； 学名后面加上最早给这个植物命名的作者名的缩写； 学名是用拉丁文来命名的，如采用其他文字语言时也必 须用拉丁字母拼音，即所谓的拉丁化。
H OH H OH H OH
D-Xylopyranose D-Glucopyranosyluronic acid
Xylose
Glucuronic acid
CH2OH
H H
O H,
HO OH HO OH
HH
CH2OH HO H O H,
H OH H OH H OH
D-Mannopyranose Mannose
４．α-纤维素、β-纤维素、γ-纤维素、工业半纤维素 （１）自综纤维素制备α-纤维素
不溶部分、α–纤维素
综纤维素 (17.5%NaOH 20℃)
溶解部分、非纤维素的碳水 化合物
(2) 自漂白化学浆制备α-、β- 、γ-、工业半纤维素
不溶解部分 α－纤维素 漂白化学浆 (17.5%NaOH 20℃)
植物界
孢子植物 （隐花植物）
种子植物 （显花植物）
裸藻门
绿藻门
轮藻门
金藻门
甲藻门
藻类植物
褐藻门
红藻门
蓝藻门
细菌门
粘菌门
菌类植物
真菌门
地衣门……………….
苔鲜植物门
蕨类植物门
裸子植物门
高等植物
被子植物门
低等植物
苏铁纲 (Gycadinae) 银杏纲 (Ginkgoinae) 裸子植物门 松柏纲 (Coniferae) (Gymnospermae) 红豆杉纲 (Taxinae) 买麻藤纲 (Gnetinae)
Ho H HOH2COH HOH
H OH
H HH HO OH
H
O H, H OH OH
COOH
H H
O H,
HO OH H OH
H OH
L-Arabinofuranose Arabinose
CH2OH H H O H, HO OH H OH
H OH
D-Glucopyranose Glucose
COOH HO H O H,
• 在1907年又提出了木素是属于高分子化合物，并在 十年之后、提出了松柏醇之间是由醚键联结的。
松柏醇 Coniferyl alcohol
HO CH3O
CH CH CH2OH
C
C
C
C
C
C
C
C
C
OCH3 CH3O
OCH3
OH
OH
OH
愈创木基丙烷 紫丁香基丙烷 对羟苯基丙烷
guaiacylpropane unit syringylpropane unit p-hydroxyphenylpropane unit
２.Cross and Bevan纤维素
采用氯气处理湿润的无抽提物试料，使木素转化为 氯化木素，然后用亚硫酸及约含2%亚硫酸钠溶液洗涤、 以溶出木素。重复以上处理、直至加入亚硫酸钠后仅显 淡红色为止。
３．硝酸乙醇法纤维素
用20%的硝酸和80%乙醇的混合液，在加热至沸腾 的条件下处理无抽提的试样，使其中的木素变为硝化木 素、溶于乙醇中而被除去，所得残渣既为硝酸乙醇法纤 维。
（三）与纤维素有关的几个概念
1．综纤维素 (Holocellulose) 综纤维素是指植物纤维原料在除去抽出物和木素后所 保留的全部碳水化合物。既植物纤维原料中纤维素和半 纤维素的总和。
制备综纤维素的方法 氯化法(Cl2) 亚氯酸钠法(NaClO2 ClO2) 二氧化氯法(ClO2) 过醋酸法(CH3COOOH)